溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要利用單片機(jī)技術(shù)、溫度檢測(cè)技術(shù)、溫度控制技術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)基于凌陽單片機(jī)控制的溫度自動(dòng)控制箱。系統(tǒng)采用溫度采集裝置ds18b20來檢測(cè)盒內(nèi)溫度，采用驅(qū)動(dòng)芯片l298n控制制冷片的運(yùn)作，以凌陽spce061a單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并借用pid算法精確調(diào)整溫度控制技術(shù)，單片機(jī)通過對(duì)測(cè)得的溫度與要求的溫度進(jìn)行比較分析，然后驅(qū)動(dòng)制冷片，調(diào)節(jié)盒內(nèi)溫度。用按鍵顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互。本系統(tǒng)硬件配置合理，控制方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了溫度控制的全部功能，能精確測(cè)量溫度，對(duì)溫度控制量可以通過鍵盤在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定。關(guān)鍵詞單片機(jī)；制冷片；溫度自動(dòng)控制；驅(qū)動(dòng)芯片ab

2、stractusing single-chip microcomputer, temperature detection technology, temperature control technology to design an automatic temperature control box based on single-chip microcomputer control temperature gathering devices ds18b20 is used to detect temperature of box in this system, drive chip l298

3、n is used to control operation of refrigeration plate , lingyang singlechip spce061a is used as microprocessor control system to analyze and deal with data, while using pid algorithm precisely adjust control technology of temperature, using key display module to realize human-machine interaction.sin

4、gle chip adjust temperature inside the box by driving refrigeration plate after comparing temperature of measurement and requirement.the hardware configuration and control scheme of this system is reasonable,realizing the temperature control function fully with the ability of setting numerical value

5、 arbitrarily in certain limit by using keyboard.key wordssinglechip;refrigeration plate;thermostatic control;driving chip目 錄1 緒論11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)11.2.1 課題的研究現(xiàn)狀11.2.2 發(fā)展趨勢(shì)41.3 設(shè)計(jì)要求51.4 設(shè)計(jì)方法61.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容72 模糊pid的控制原理82.1 pid控制技術(shù)82.2 模糊控制原理92.3 模糊pid控制的基本原理分析93 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)123.1 系統(tǒng)方案比較與選擇123.1.1 控制模塊123

6、.1.2 溫度檢測(cè)模塊123.1.3 制冷片模塊133.1.4 制冷片驅(qū)動(dòng)模塊143.1.5 顯示模塊方案比較與論證143.1.6 電源模塊方案比較與論證143.1.7 系統(tǒng)最終方案153.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)153.2.1 總體結(jié)構(gòu)框圖153.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法163.3 控制方法163.3.1 溫度控制163.3.2 模糊pid控制164 硬件電路的設(shè)計(jì)174.1 主控模塊的電路設(shè)計(jì)174.1.1 芯片介紹174.1.2 主控電路設(shè)計(jì)及端口分配194.2 制冷片驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)204.3 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)214.4 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)224.5 故障排除225 軟件設(shè)計(jì)235.1

7、 主程序說明及流程圖235.2 溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)及流程圖235.3 制冷片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及流程圖245.4 鍵盤顯示程序設(shè)計(jì)及流程圖256 系統(tǒng)測(cè)試266.1 測(cè)試儀器266.2 測(cè)試方法、步驟及注意事項(xiàng)266.3 測(cè)試結(jié)果267 結(jié)束語27參考文獻(xiàn)28致 謝30附錄a31附錄c33附錄d34附錄e35附錄f36附錄g37溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)技術(shù)、溫度檢測(cè)技術(shù)、溫度控制技術(shù)等知識(shí)制作一個(gè)基于凌陽單片機(jī)控制的溫度自動(dòng)控制箱，單片機(jī)通過對(duì)測(cè)得的溫度與要求的溫度進(jìn)行比較分析，然后驅(qū)動(dòng)制冷片，調(diào)節(jié)盒內(nèi)溫度。其涉及的知識(shí)面較廣，涵蓋了電子、機(jī)械、通信、軟件學(xué)等領(lǐng)域。通過本

8、次設(shè)計(jì)掌握一般自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、放大比較電路、抗干擾電路），軟件（如c語言、匯編語言），的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法，能提高對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體調(diào)試和整體把握能力，熟悉系統(tǒng)的開發(fā)安裝調(diào)試過程，為今后的工作打下基礎(chǔ)。1.2 課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 課題的研究現(xiàn)狀在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對(duì)于工業(yè)如此重要，由此推進(jìn)了溫度傳感器的發(fā)展。傳感

9、器主要大體經(jīng)過了三個(gè)發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測(cè)量溫度)、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有ad590、ad592、tmp17、lm135等；模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有l(wèi)m56、ad22105和max6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如tc652/653)中還包含了a/d轉(zhuǎn)換器以及固化好的程

10、序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ate)的結(jié)晶。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)和只讀存儲(chǔ)器(rom)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。近年來

11、，在我國(guó)以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)中的電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中的溫度量已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù)，對(duì)它的測(cè)量與控制有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，人們也迫切需要檢測(cè)與控制溫度。特別是在冶金、化工、機(jī)械、電氣等各類工業(yè)中使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐。采用 mcs-51 單片機(jī)為核心的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，是用途很廣的一類工業(yè)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單、靈活性大、成本降低，質(zhì)量有保證和提高系統(tǒng)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控

12、溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。 隨著時(shí)代的進(jìn)步，控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展。尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展一般可分為三個(gè)階段: 第一階段時(shí)間為20 世紀(jì)40-60 年代，稱為“古典控制理論”時(shí)期。古典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題。主要采用傳遞函數(shù)，頻率特性，根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析法。所研究的系統(tǒng)多半是線性定常系統(tǒng)，對(duì)非線性系統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過兩個(gè)變量，古典控制理論能夠較好的解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。 這一時(shí)期的主要代表人物有伯德(h. w.bo

13、de)和伊文思(w.r.evans)。伯德于1945 年提出了簡(jiǎn)便而實(shí)用的伯德圖法。1948 年伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。 第二階段時(shí)間為本世紀(jì)60-70 年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。這個(gè)時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了空間技術(shù)的發(fā)展，古典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題。系統(tǒng)可以是線性的，定常的，也可以是非線性的，時(shí)變的。這一時(shí)期的主要代表有龐特里亞金，貝爾曼及卡爾曼等人。龐特里亞金于 1961 年提出了極大值原理;貝爾曼在1957 年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃；1959 年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)

14、于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即著名的卡爾曼濾波。 第三階段時(shí)間為本世紀(jì)70 年代末至今，70 年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論” 和“智能控制”方向發(fā)展。前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)理論”使用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制其具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。 回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類有機(jī)械化時(shí)代進(jìn)入電氣化時(shí)代，并走向自動(dòng)化、信息化、智能自動(dòng)化時(shí)代。 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以溫度為主要的控制變量

15、。系統(tǒng)主要時(shí)通過溫度傳感器對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度變化引起的其他物理量變化進(jìn)行測(cè)量，然后通過電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字量轉(zhuǎn)送到單片機(jī)中。在單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，根據(jù)用戶的設(shè)定對(duì)加熱電路或制冷電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)溫度的目的。 大部分溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用典型的負(fù)反饋式溫度控制系統(tǒng)，其中數(shù)字控制器的功能由微型機(jī)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。國(guó)外溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。技術(shù)工藝，是衡量一個(gè)企業(yè)是否具有先進(jìn)性，是否具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是否能不斷領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)者

16、的重要指標(biāo)依據(jù)。隨著我國(guó)溫度自動(dòng)控制器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。了解國(guó)內(nèi)外溫度自動(dòng)控制器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器數(shù)字控制器，測(cè)量與變送裝置以及執(zhí)行器等，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：1、適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。2、能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3、能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4、這些溫

17、度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。5、普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。 6、溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。我國(guó)對(duì)模糊控制理論的研究與應(yīng)用起步比較晚，然而發(fā)展很快，在各個(gè)領(lǐng)域取得了許多有影響的成果。諸如在模糊控制、模糊辨識(shí)、模糊聚類分析、模糊圖像

18、處理、模糊集合論、模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1、行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強(qiáng)，制約技術(shù)發(fā)展。2、商品化產(chǎn)品以pid 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國(guó)外差距較大。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表。3、儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國(guó)外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)。1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)從市場(chǎng)角

19、度看，目前社會(huì)上溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價(jià)格便宜，國(guó)外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價(jià)格較貴。我國(guó)的大中型企業(yè)將溫度控制系統(tǒng)引入生產(chǎn)，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產(chǎn)效率。嵌入式溫度控制系統(tǒng)符合國(guó)家提出的“節(jié)能減排”的要求，符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。自動(dòng)控制是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是溫度控制的重要形式。溫度自動(dòng)控制涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。一方面，溫度自動(dòng)控制在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣

20、闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展；另一方面，溫度自動(dòng)控制應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。總趨勢(shì)是從狹義的溫度控制概念向廣義的溫度控制技術(shù)概念轉(zhuǎn)移；從溫度控制產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的溫度自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。溫度自動(dòng)控制技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用溫度控制技術(shù)的、具有實(shí)在的多功能的智能化系統(tǒng)。”目前，溫度自動(dòng)控制技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、pc化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感

21、器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。1.3 設(shè)計(jì)要求基本部分要求:（1）溫度可調(diào)節(jié)范圍為535，最小設(shè)定分度為1。（2）具有溫度顯示功能，分辨率為0.1。 （3）當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值并穩(wěn)定后，盒內(nèi)溫度的波動(dòng)控制在2以內(nèi)。要求溫度調(diào)控達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，必須給出聲或光提示信號(hào)。（4）當(dāng)設(shè)定的調(diào)節(jié)溫差為15時(shí), 要求達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間小于等于3分鐘，穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度波動(dòng)在2以內(nèi)。 （5）當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值并穩(wěn)定后，盒內(nèi)溫度的波動(dòng)控制在1以內(nèi)。 （6）當(dāng)設(shè)定的調(diào)節(jié)溫差為15時(shí), 盡量減少達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間，并要求超調(diào)量不超過3，穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度波

22、動(dòng)在1以內(nèi)。 （7）能記錄并實(shí)時(shí)顯示溫度調(diào)節(jié)過程的曲線, 顯示的誤差絕對(duì)值小于2。 （8）其他。 1.4 設(shè)計(jì)方法（1）設(shè)計(jì)控制核心：采用一片凌陽spce061a單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，單片機(jī)通過對(duì)溫度采集器上的數(shù)值讀取，并將其與輸入的要求數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與處理，通過脈寬調(diào)制以控制制冷電路的制冷制熱。采用凌陽spce061a單片機(jī)控制，不僅可以很好的完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，而且可以添加許多其他功能，增加系統(tǒng)的適用性與娛樂性。（2）設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)裝置：采用高精度電位器與擺錘等機(jī)械體自制完成傳統(tǒng)的熱敏電阻等一些測(cè)量溫度的元件一般輸出的是電壓，要轉(zhuǎn)化成控制需要用到的溫度數(shù)據(jù)，需要一系列的外加電路，不僅會(huì)使制作成

23、本變高，同時(shí)會(huì)使得硬件電路更加復(fù)雜。dsl8b20 溫度傳感器是美國(guó)dallas半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)傳感器不同，ds18b20可直接將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過單條數(shù)據(jù)先串行發(fā)送出去。只要嚴(yán)格嚴(yán)格遵循其規(guī)定時(shí)序邏輯和脈沖間隔，就能舍去了同步時(shí)鐘信號(hào)線，做到了器件引腳最少化，達(dá)到溫度采集目的。（3）設(shè)計(jì)鍵盤顯示裝置：采用專用鍵盤顯示芯片ch451完成。該設(shè)計(jì)完成的鍵盤顯示，不僅可以完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，還可以大大降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（4）設(shè)計(jì)制冷片驅(qū)動(dòng)裝置：采用驅(qū)動(dòng)芯片l298n，并由單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制其運(yùn)作。l298n是st公司生產(chǎn)的一種高電壓

24、、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3a，持續(xù)工作電流為2a；內(nèi)含兩個(gè)h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。（5）設(shè)計(jì)溫度控制算法：溫度控制是本系統(tǒng)中最為重要的部分，由于對(duì)控制溫度達(dá)到有求的時(shí)間有要求，因此選擇優(yōu)良的算法十分有必要。本文中采用模糊pid算法，這樣不僅可以大大縮

25、短溫度控制的時(shí)間，還可以使系統(tǒng)更加智能，更具特色。1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容本人在設(shè)計(jì)中用單片機(jī)控制核心，溫度檢測(cè)裝置，溫度控制裝置，鍵盤顯示裝置配以模糊pid算法來組成溫度自動(dòng)控制裝置。單片機(jī)控制核心通過對(duì)測(cè)得溫度與輸入要求溫度的比較處理，并根據(jù)此變化進(jìn)行模糊pid運(yùn)算后，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖控制制冷片的制冷制熱。經(jīng)考慮，本系統(tǒng)中還增加了鍵盤輸入、溫度顯示等功能，不僅方便控制，而且還大大提高了系統(tǒng)適應(yīng)性以及趣味性。2 模糊pid的控制原理2.1 pid控制技術(shù)pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好及可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，尤其適應(yīng)于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。

26、然而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)pid控制不能達(dá)到理想的控制效果，而且在世界生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于常規(guī)pid參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，適應(yīng)性差。針對(duì)pid控制器參數(shù)整定不易的局限，我們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法來調(diào)整溫度控制。常規(guī)pid控制器是一種線性控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 常規(guī)pid控制器的結(jié)構(gòu)圖pid控制器將偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制算式如式(2.1)所示。error! no bookmark name given. (2.1)式中：為比例系數(shù)

27、，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單說來，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：能及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)：積分調(diào)節(jié)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無靜差度，適用于有自平衡性的系統(tǒng)。微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)。從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)是抗干擾能力差。2.2 模糊控制原理模糊控制(fuzzy control)是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊控制邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，從行為上模擬人的思維方式，對(duì)難建模的對(duì)象實(shí)施模糊推理和決策的一

28、種控制方法，實(shí)際上是一種非線性控制。模糊控制作為智能領(lǐng)域中最具有實(shí)際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器自動(dòng)化領(lǐng)域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效，引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關(guān)領(lǐng)域的廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。模糊控制算法的工作過程可以描述如下：微機(jī)通過中斷采樣獲取被控制量的精確值，將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e，一般選誤差信號(hào)e作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差e的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差e的模糊語言集合的一個(gè)子集e(e是一個(gè)誤差e的模糊矢量)，再由e和模糊關(guān)系r根

29、據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u，即u=er。2.3 模糊pid控制的基本原理分析模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)及模糊邏輯為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制，是一種非線性的智能控制。與其他經(jīng)典控制過程相似，它一般由輸人量(模糊化)、控制器(模糊控制算法)，輸出量(去模糊化)、被控對(duì)象等部分組成。在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一般最易為人所觀察到的就是被控過程的輸出變量及其變化率。因此一般模糊控制器以誤差和誤差變化率作為輸入變量，以被控過程的輸出y作為輸出變量。由專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)獲得輸入和輸出之間的模糊推理規(guī)則表，而規(guī)則表是由模糊語言進(jìn)行描述的。然后根據(jù)輸入模糊變量誤差和誤差變化率查詢模糊規(guī)則表并根據(jù)一定法則進(jìn)行計(jì)算得

30、出模糊輸出變量，經(jīng)過解模糊后輸出精確量，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。模糊pid控制是近年來應(yīng)運(yùn)而生并逐步發(fā)展起來的一種新型的智能pid控制方法，它將模糊控制和pid控制兩者結(jié)合起來，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有pid控制精度高和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。這種fuzzy-pid復(fù)合型控制器，無論對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)還是高精度伺服系統(tǒng)都具有良好的控制效果。模糊控制器在控制過程中，以語言描述人類知識(shí)，并把它表示成模糊規(guī)則或關(guān)系。通過推理利用知識(shí)庫(kù)把某些知識(shí)與過程狀態(tài)連接起來決定控制行為。模糊pid控制器可稱為變參數(shù)pid控制器，而參數(shù)變化則根據(jù)模糊推理規(guī)則變化。根據(jù)模糊pid控制器設(shè)計(jì)原理。設(shè)計(jì)配料模糊p

31、id控制器，控制器的輸人為被控量(物料質(zhì)量)的誤差e和誤差的變化率ec，輸出被控量u(t)，模糊控制器的組成主要由模糊化、規(guī)則推理、去模糊化3個(gè)步驟組成，見圖2.2虛線部分。經(jīng)換算處理后可得增量式pid控制算法： （2.2）式中：t采樣周期，k某一采樣時(shí)刻，、被控量的偏差、偏差變化率，、pid的比例、積分、微分增益。、的變化范圍分別在，和，之間，這個(gè)范圍根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)決定。根據(jù)有關(guān)資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中、比例控制下的增益和振蕩周期。數(shù)字pid控制要求采樣周期比被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多。采樣周期越小，控制效果越接近于連續(xù)控制。但采樣周期的選擇是受到各方面因素影響的，香農(nóng)采樣定理給出了采樣周期的上限

32、： （2.3）其中：為采樣信號(hào)的上限頻率，采樣周期的下限為計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入輸出所需要的時(shí)間，系統(tǒng)的采樣周期只能在下限與上限之間選擇。這里采用、2個(gè)參數(shù)來推理pid的3個(gè)參數(shù)，該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。為便于尋找模糊推理規(guī)則和反模糊化，對(duì)各參數(shù)、采用了歸一化處理。即 （2.4） （2.5）且由控制器中、之間的關(guān)系：，可得出。很顯然，若確定了、和就可以得出： （2.6） （2.7） （2.8）圖2.2 配料模糊pid控制結(jié)構(gòu)3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)方案比較與選擇對(duì)本系統(tǒng)來說，重點(diǎn)在于溫度的檢測(cè)和控制，難點(diǎn)在于制冷片驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法是單片機(jī)通過對(duì)溫度采集器上的數(shù)值讀取，并將其與輸入的

33、要求數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與處理，通過脈寬調(diào)制以控制制冷電路的制冷制熱。要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)可劃分幾個(gè)模塊：控制器、溫度檢測(cè)、制冷片驅(qū)動(dòng)、鍵盤顯示、電源、溫控箱。針對(duì)以上這些模塊分別提出幾種方案以供選擇。3.1.1 控制模塊單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制核心，其性能的優(yōu)劣將從根本上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于系統(tǒng)要求采用凌陽系列單片機(jī)完成，經(jīng)綜合考慮后選用凌陽16位單片機(jī)spce061a實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。凌陽spce061a單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由空間大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低，體積小，技術(shù)成熟和成本低的優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。針對(duì)本系統(tǒng)，特提出以下兩種方案以供選擇：

34、方案一：采用單凌陽spce061a單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。由于本系統(tǒng)的主要工作量在于溫度信號(hào)的檢測(cè)、處理、控制等方面。由單片機(jī)完成的工作是溫度變化產(chǎn)生的電壓值的檢測(cè)及處理并控制溫度變化，還有按鍵顯示的處理。所以用一塊spce061a單片機(jī)完全能達(dá)到系統(tǒng)的要求，并且節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。方案二：采用雙凌陽spce061a單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。兩塊單片機(jī)分工協(xié)作，各自完成各自的功能，單片機(jī)之間可以并行通行。但是這樣浪費(fèi)了系統(tǒng)資源，增加不必要的成本。綜合上述，采用方案一。3.1.2 溫度檢測(cè)模塊溫度檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制的的重要部件，它的選擇影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。根據(jù)系統(tǒng)要求，有以下

35、兩種溫度檢測(cè)設(shè)備可供選擇：方案1：采用常見的感溫原件熱電偶或熱電阻，它們的主要優(yōu)缺點(diǎn)是：熱電偶價(jià)格便宜，但精度低，需冷端補(bǔ)償，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜；熱電阻精度較高，但需要標(biāo)準(zhǔn)溫度電阻與之匹配才能使用。方案2：采用ds18b20，它是美國(guó)dallas公司推出的單總線數(shù)字測(cè)溫芯片。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，僅需使用1個(gè)端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號(hào)輸出提高了信號(hào)抗干擾能力和溫度測(cè)量精度?？梢酝ㄟ^編程實(shí)現(xiàn)912位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。ds18b20測(cè)溫范圍為55+125。但在方案1中，熱電偶或熱電的缺點(diǎn)是精度低，需冷端補(bǔ)償，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。而它具有獨(dú)特的單總線接口方式，僅需使用1個(gè)端口就能實(shí)現(xiàn)與

36、單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號(hào)輸出提高了信號(hào)抗干擾能力和溫度測(cè)量精度。可以通過編程實(shí)現(xiàn)912位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。所以采用方案2更加滿足題目要求。3.1.3 制冷片模塊方案1：制冷片tes1-03901t125最大溫差為67，最大溫差電流1a,最大溫差電壓4.7v。方案2：制冷片tec1-127-06,最大溫差大于 65，最大溫差電流6a，最大溫差電壓 15.4v，最大致冷功率 51.4j/s，空氣比熱容為 1.300758j/(l*),木盒體積為100mm100mm100mm=1l。木盒內(nèi)溫度上升或下降15所需熱量 q 為： 1.300758j/(l*) 1l15=19.5125j 。理想情

37、況下，以上制冷片工作在最大致冷功率，可以達(dá)到題目中的要求，但是由于木盒保溫效果不理想，制冷片不可能完全工作在最大制冷狀態(tài)，而且存在一定的功率損耗，實(shí)際制作中先選擇了致冷功率較大的 tec1-127-06 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于保溫效果不理想的木盒，其制冷量并不多余。以上兩種制冷片中，tec1-127-06 型比另外一種型號(hào)的主要性能參數(shù)（最大溫差電流、最大溫差電壓、最大致冷功率）都較大，所以其耐用性較好?？紤]到成本相差不大，而且 tec1-127-06 制冷功率比其它兩種制冷片功率大，所以選用tec1-127-06。3.1.4 制冷片驅(qū)動(dòng)模塊方案1：采用專用芯片l298n作為制冷片驅(qū)動(dòng)芯片。l

38、298n是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片l298n可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案2：采用場(chǎng)效應(yīng)管組成的h 型 pwm 電路。此電路由四個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管組成 h 橋電路構(gòu)成。四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入控制脈沖占空比來調(diào)整制冷片的功率。方案2能靈活的實(shí)現(xiàn)制冷片工作在冷熱狀態(tài)的切換，但是不易實(shí)現(xiàn)濾波。方案1可以利用繼電器來實(shí)現(xiàn)冷熱的切換，且濾波電路簡(jiǎn)單。因此選用方案二。3.1.5 顯示模塊方案比較與論證方案1：采用ch451芯片驅(qū)動(dòng)led數(shù)

39、碼管顯示。ch451是專用鍵盤、顯示接口擴(kuò)展芯片，它能自動(dòng)完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能，可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤連接并可驅(qū)動(dòng)最多16位led數(shù)碼管顯示。采用該芯片驅(qū)動(dòng)led數(shù)碼管顯示的特點(diǎn)是占用控制器資源少且可連接鍵盤，便于信息輸入。但是不滿足需要大量顯示系統(tǒng)信息的要求。方案2：采用ch451芯片驅(qū)動(dòng)12864類型液晶顯示。該模塊功耗低，接口方式靈活，操作簡(jiǎn)單方便，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。不僅可以顯示84行1616點(diǎn)陣的漢字，還可以完成圖形顯示，并且能降低軟件的負(fù)擔(dān)，提到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。比較方案1與方案2，采用ch451芯片驅(qū)動(dòng)12864類型液晶可大量顯示系統(tǒng)信息，因此采用方案2。3.1

40、.6 電源模塊方案比較與論證方案1：采用12v蓄電池變壓后為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的在位移檢測(cè)裝置上使用極為不方便。方案2：采用穩(wěn)壓源提供5v，為單片機(jī)、信號(hào)檢測(cè)電路及直流電機(jī)供電。穩(wěn)壓源可以提供多種不同的電壓，而且產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定。制冷片的驅(qū)動(dòng)需要大功率電源提供，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用與制冷片tec1-127-06配套的專用的大功率電源。采用此種供電方式后，單片機(jī)和各部分電路工作穩(wěn)定，易于安裝，能夠滿足系統(tǒng)的要求。綜上所述，在電源模塊采用方案2。3.1.7 系統(tǒng)最終方案經(jīng)過反復(fù)比較與論證，最終確定了如下方案：（1）采用凌陽單片機(jī)spce061a作為控

41、制核心；（2）采用ds18b20作為溫度檢測(cè)器件；（3）采用雙電源分別供電；（4）采用數(shù)碼管顯示；（5）采用專用芯片l298n作為制冷片驅(qū)動(dòng)芯片；（6）采用型號(hào)為tec1-127-06的制冷片。3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3.2.1 總體結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)以上方案分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖3. 1。圖3.1 系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)通過凌陽單片機(jī)對(duì)溫度檢測(cè)電路所檢測(cè)到的溫度與鍵盤所輸入的要求溫度的對(duì)比與處理，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖以控制驅(qū)動(dòng)制冷片驅(qū)動(dòng)電路，合理調(diào)節(jié)制冷片的制冷制熱。其中l(wèi)298n為制冷片提供驅(qū)動(dòng)，ds18b20作為溫度檢測(cè)電路的接收器。從單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫度的精確調(diào)控以及信號(hào)提示，通過led顯示溫度。使得

42、本設(shè)計(jì)更趨智能化，人性化。3.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法是單片機(jī)通過對(duì)溫度采集器上的數(shù)值讀取，并將其與輸入的要求數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與處理，通過脈寬調(diào)制以控制制冷電路的制冷制熱。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)盒內(nèi)溫度的自動(dòng)控制。3.3 控制方法3.3.1 溫度控制制冷片驅(qū)動(dòng)采用l298n驅(qū)動(dòng)芯片加pwm脈寬調(diào)制，當(dāng)單片機(jī)輸出信號(hào)脈寬不同時(shí)制冷片接收的功率不同。使得制冷片能按照要求做出制冷或制熱動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度的目的。3.3.2 模糊pid控制溫度控制采用模糊pid計(jì)算，模糊pid控制設(shè)計(jì)思想是先找出pid算法（如公式1）三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率e之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和計(jì)算e，再根據(jù)

43、模糊控制原理來對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改以滿足在不同e和e時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 （3.1） 其中kp為比例系數(shù)、ki積分系數(shù)、kd為微分系數(shù)。4 硬件電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)控制核心、制冷片驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤顯示電路、溫度檢測(cè)電路等組成。其中制冷片驅(qū)動(dòng)電路的作用是驅(qū)動(dòng)制冷片工作以調(diào)節(jié)盒內(nèi)溫度；溫度檢測(cè)電路用來檢測(cè)盒內(nèi)溫度；鍵盤顯示接口電路完成數(shù)值輸入、溫度顯示的功能。4.1 主控模塊的電路設(shè)計(jì)4.1.1 芯片介紹隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號(hào)處理（dsp，digital signal

44、 processing）等領(lǐng)域。凌陽的16位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計(jì)的，它的cpu內(nèi)核采用凌陽最新推出的nsptm（microcontroller and signal processor）16位微處理器芯片。圍繞nsptm所形成的16位nsptm系列單片機(jī)（簡(jiǎn)稱nsptm家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以nsptm內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的rom、ram和功能豐富的各種外設(shè)接口部件。nsptm內(nèi)核是一個(gè)通用的核結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)，亦即這種結(jié)構(gòu)可大可小或可有可無。借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可形成各種不同系列派生產(chǎn)品，以適合不同的應(yīng)用場(chǎng)合。這樣做無疑

45、會(huì)使每一種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。nsptm家族有以下特點(diǎn):（1）體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展nsptm家族把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連線，提高了其可靠性和抗干擾能力。另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。（2）具有較強(qiáng)的中斷處理能力nsptm家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及10余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。（3）高性能價(jià)格比nsptm家族片內(nèi)帶有高尋址能力的rom、靜態(tài)ram和多功能的i/o口。另外，nsptm的指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的16位16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了d

46、sp功能，使得nsptm家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利，又比專用的dsp芯片廉價(jià)。（4）功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng)nsptm指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速，并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對(duì)高級(jí)語言的支持，這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。（5）低功耗、低電壓nsptm家族采用cmos制造工藝，同時(shí)增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗。另外，nsptm家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作，且能用電池供電，這對(duì)于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義。spce061a 是繼nsptm系列產(chǎn)品spce500a等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器，其cpu

47、能在2.43.6v內(nèi)工作，使用pll鎖相環(huán)將實(shí)時(shí)時(shí)鐘基頻(32768hz)倍頻，調(diào)整至49.152mhz、40.96mhz、32.768mhz、24.576mhz或20.480 mhz，再經(jīng)過分頻得到cpu時(shí)鐘頻率，以滿足不同處理速度要求；具備包括定時(shí)器a / b、時(shí)基、2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入等14個(gè)中斷源，擁有觸鍵喚醒、聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器、自動(dòng)增益控制(agc)、低電壓復(fù)位(lvr)和低電壓監(jiān)測(cè)(lvd)、watchdog和保密能力等功能；內(nèi)置在線仿真電路ice（in- circuit emulator）接口，2k字sram、32k flash，使用凌陽音頻編碼sacm_s

48、240方式，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；擁有2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)10位dac(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道、7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、32位通用可編程輸入/輸出端口。spce061a強(qiáng)大的功能及特性使得它在家用電器、儀器儀表、工業(yè)控制、通訊產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、保健器械、體育健身產(chǎn)品、電教設(shè)備、語音識(shí)別等各個(gè)方面應(yīng)用廣泛。其結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1.1 spce061a的結(jié)構(gòu)4.1.2 主控電路設(shè)計(jì)及端口分配系統(tǒng)采用雙凌陽spce061a單片作為主控模塊，其電路方框圖如圖4.2所示，主單片機(jī)通過iob4iob7控制電機(jī)，ioa1ioa6用于查詢尋線模塊

49、接口狀態(tài)；從單片機(jī)的ioa0，vrt分別接到角度測(cè)量模塊的out與vcc端，ioa4向主單片機(jī)傳輸中斷，iob8iob11向主單片機(jī)發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志量，語音播報(bào)模塊從sph、spl腳輸出，iob2和iob3對(duì)路程計(jì)算模塊進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)。從單片機(jī)的ioa8ioa15，iob12iob15接到鍵盤顯示模塊。主單片機(jī)通過ioa6ioa7控制制冷片驅(qū)動(dòng)， iob15向主單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)到的溫度，即用于連接溫度檢測(cè)電路。從單片機(jī)的ioa12ioa15,iob3接到鍵盤顯示模塊，系統(tǒng)主控模塊的電路方框圖如圖4.1所示。圖4.1.2 系統(tǒng)主控模塊的電路方框4.2 制冷片驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)制冷片驅(qū)動(dòng)電路采用l298n

50、驅(qū)動(dòng)芯片，l298n是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它響應(yīng)頻率高，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。該電路的原理圖如圖4.2所示。圖4.2 制冷片驅(qū)動(dòng)電路4.3 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在本設(shè)計(jì)中，采用了專用的鍵盤、顯示接口擴(kuò)展芯片ch451。利用該芯片構(gòu)建了4x4的矩陣鍵盤以及液晶顯示電路，在本設(shè)計(jì)中要求使用鍵盤輸入位移的預(yù)定值，同時(shí)使用液晶顯示可以全面的顯示系統(tǒng)信息，提高了系統(tǒng)人機(jī)交互能力。ch451是以硬件實(shí)現(xiàn)的多功能外圍芯片，使用串行接口，支持顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描以及p監(jiān)控，外圍元器件極少用硬件實(shí)現(xiàn)，串行接口、顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描、p監(jiān)控之間相

51、互獨(dú)立不受干擾，串行接口的位時(shí)鐘能夠支持到10 mhz，數(shù)據(jù)傳輸速度比輔助單片機(jī)方案提高40倍，即使主控單片機(jī)頻繁操作也完全不會(huì)影響顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描以及p監(jiān)控；串行接口以硬件實(shí)現(xiàn)，不需要時(shí)鐘；而顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描使用約0.75 mhz的全內(nèi)置主時(shí)鐘多次分頻后的掃描時(shí)鐘，所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不易受到干擾。即使受到強(qiáng)干擾，也能夠在干擾后立即正常工作，不會(huì)影響串行接口、顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描的后續(xù)操作，并內(nèi)置看門狗電路，其電路圖如圖4.3所示。圖4.3 鍵盤顯示電路4.4 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 采用 to-92封裝的 ds18b20 有3 個(gè)引腳, 其外觀形狀跟普通三極關(guān)非常類似，如圖4.4 圖4.4 t

52、o-92封裝的ds18b20圖gnd為電源地，dq為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，vdd 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。由于外部電源供電方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，是 ds18b20 較好的工作方式.，因此采用外部供電方式如圖4.5圖4.5 ds18b20外部電源供電接法4.5 故障排除在一次調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)制冷片不能制冷，采用各個(gè)模塊分開排查的方法，最終發(fā)現(xiàn)在我們制作的l298n驅(qū)動(dòng)模塊上有一個(gè)二極管因?yàn)殡娐范搪吩斐啥O管短路。更換一個(gè)二極管，重新上電，制冷片正常工作，故障排除。5 軟件設(shè)計(jì)采用unsp ide集成開發(fā)環(huán)境，c語言編寫程序。所有的軟件程序都在該開發(fā)環(huán)境

53、中編譯通過。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要功能模塊有：主程序模塊、溫度檢測(cè)模塊、制冷驅(qū)動(dòng)模塊、模糊pid控制模塊、鍵盤顯示模塊等。5.1 主程序說明及流程圖通過ds18b20對(duì)盒內(nèi)溫度的檢測(cè)，單片機(jī)獲得盒內(nèi)溫度信號(hào)，并顯示所測(cè)得的溫度值，設(shè)定溫度，主程序通過比較檢測(cè)所得的溫度值和輸入溫度值來合理控制制冷片驅(qū)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)盒內(nèi)溫度是否達(dá)到預(yù)定值，如果沒有達(dá)到，則繼續(xù)控制制冷片驅(qū)動(dòng)，若達(dá)到了預(yù)定值，則檢測(cè)溫度控制是否穩(wěn)定，若穩(wěn)定則顯示曲線，若不穩(wěn)定則調(diào)用pid調(diào)整直至穩(wěn)定。主程序流程圖如圖5.1所示。5.2 溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)及流程圖初始化ds18b20，發(fā)送序列號(hào)，然后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并

54、將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示的溫度值。程序流程圖如圖5.2所示。圖5.2 溫度檢測(cè)控制流程圖圖5.1 主程序流程圖5.3 制冷片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及流程圖本系統(tǒng)中對(duì)溫度控制的穩(wěn)定性采用pid控制，將檢測(cè)所得溫度值與設(shè)定值比較，若小于誤差則停止制冷片工作，若大于誤差值則使用模糊處理并調(diào)用pid參數(shù)，通過pid計(jì)算控制制冷片工作。其流程圖如圖5.4所示。圖5.3 pid控制流程圖5.4 鍵盤顯示程序設(shè)計(jì)及流程圖在本系統(tǒng)中，鍵盤顯示采用了專用鍵盤、顯示接口擴(kuò)展芯片ch451，它具有自動(dòng)完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能，有專門的指令及讀寫時(shí)序。其鍵盤掃描與顯示的流程圖分別如圖5.4.1、圖5.4.2所示。圖5.5.1

55、 鍵盤掃描流程圖 圖5.5.2 顯示流程圖6 系統(tǒng)測(cè)試6.1 測(cè)試儀器主要測(cè)試用儀器有數(shù)字存儲(chǔ)示波器ads820c、數(shù)字溫度計(jì)、萬用表、自制溫度自動(dòng)控制裝置。6.2 測(cè)試方法、步驟及注意事項(xiàng)測(cè)試方法：?jiǎn)?dòng)裝置，將屏幕顯示溫度數(shù)值與數(shù)字溫度計(jì)上的測(cè)量數(shù)值比較。設(shè)定溫度值，保持?jǐn)?shù)字溫度計(jì)對(duì)盒內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)，記錄下穩(wěn)定狀態(tài)下的顯示數(shù)值，將其與輸入溫度進(jìn)行比較，并記錄下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。6.3 測(cè)試結(jié)果為了能夠更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，我們對(duì)溫度采集模塊進(jìn)行了6次檢測(cè)，對(duì)溫度控制模塊進(jìn)行了6次檢測(cè),詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)如表6.1、表6.2。表6.1 溫度采集檢測(cè)數(shù)據(jù)表t1（）t2（）t3（）t4（）t5（）t6（）顯

56、示值9.635521.957實(shí)際值9.834.65.121.25.37.5誤差0.20.40.10.70.30.5表6.2 溫度控制檢測(cè)數(shù)據(jù)表w1w2w3w4w5w6設(shè)定溫度9.834.65.121.25.37.5穩(wěn)定時(shí)間58s70s46s68s30s40s波動(dòng)0.90.70.71.00.30.8超調(diào)量1.10.90.81.50.70.9通過檢測(cè)，溫度采集裝置和溫度控制裝置都能較好的工作。7 結(jié)束語通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比可以得出，本設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全部基本要求，將大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)真正運(yùn)用到了實(shí)踐中去，不但熟悉鞏固了以往所學(xué)，更在不少地方有了新的領(lǐng)悟與創(chuàng)新，使自身的理論知識(shí)與實(shí)踐能力得到了相互促進(jìn)，極大的提高了自己的綜合能力。雖然系統(tǒng)完成的比較好，有很多可取的地方，